JP2021067547A

JP2021067547A - 硬さ試験機、硬さ試験方法及びプログラム

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Publication number: JP2021067547A
Application number: JP2019192828A
Authority: JP
Inventors: 功佳小澤; Katsuyoshi Ozawa
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2039-10-23
Also published as: JP7289772B2

Abstract

【課題】試料の曲面に対する硬さ試験を効率良く行う。【解決手段】硬さ試験機１００は、圧子１４ａの中心軸に対して均等に所定の距離ｌだけ離れた位置に配設される２つの接触部１８ａ，１８ａと、圧子１４ａと接触部１８ａ，１８ａとがそれぞれ試料Ｓ２の表面に接触したタイミングでの高さ位置の差分を測定する第１の測定手段（制御部６）と、前記第１の測定手段により測定された前記差分と、圧子１４ａと接触部１８ａ，１８ａとの位置関係と、に基づいて試料Ｓ２の径ｄを導出する導出手段（制御部６）と、前記導出手段により導出された試料Ｓ２の径ｄを考慮して当該試料Ｓ２の硬さを測定する第２の測定手段（制御部６）と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、硬さ試験機、硬さ試験方法及びプログラムに関する。

従来、所定の試験力で圧子を試料（ワーク）に押し付けて形成したくぼみの寸法に基づいて試料の硬さを計測する硬さ試験機が知られている。この硬さ試験機を用いた試験では、原則として、材料規格などに指定されていない限り、平滑な表面に対して試験を行うように規定されている。そのため、試料の曲面に対して試験を行う場合には、所定の補正係数によって、見かけの硬さを平面の硬さに変換する必要がある。

ところで、上述した所定の補正係数は、試料の曲面部分の径の値を用いて導出されるため、上記の硬さ試験機での試験とは別に、試料の曲面部分の径を測定しなければならない。そこで、例えば、被測定物の内径又は外径を簡便に測定することができる内外径測定器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

実開昭５８−６０２０４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている内外径測定器を用いたとしても、依然として、硬さ試験機での試験とは別に、試料の径を測定しなければならないため、試料の曲面に対して試験を行う場合には手間がかかるという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、試料の曲面に対する試験を効率良く行うことができる硬さ試験機、硬さ試験方法及びプログラムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、上記目的と達成するためになされたものであり、
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
前記圧子の中心軸に対して均等に所定の距離だけ離れた位置に配設される少なくとも２つの接触部と、
前記圧子と前記接触部とがそれぞれ前記試料の表面に接触したタイミングでの高さ位置の差分を測定する第１の測定手段と、
前記第１の測定手段により測定された前記差分と、前記圧子と前記接触部との位置関係と、に基づいて前記試料の径を導出する導出手段と、
前記導出手段により導出された前記試料の径を考慮して当該試料の硬さを測定する第２の測定手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の硬さ試験機において、
前記圧子の中心軸に対する前記接触部の距離を調整可能な調整手段を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機の硬さ試験方法であって、
前記圧子と当該圧子の中心軸に対して均等に所定の距離だけ離れた位置に配設される少なくとも２つの接触部とがそれぞれ前記試料の表面に接触したタイミングでの高さ位置の差分を測定する第１の測定工程と、
前記第１の測定工程により測定された前記差分と、前記圧子と前記接触部との位置関係と、に基づいて前記試料の径を導出する導出工程と、
前記導出工程により導出された前記試料の径を考慮して当該試料の硬さを測定する第２の測定工程と、
を含む硬さ試験方法である。

請求項４に記載の発明は、
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機のコンピュータを、
前記圧子と当該圧子の中心軸に対して均等に所定の距離だけ離れた位置に配設される少なくとも２つの接触部とがそれぞれ前記試料の表面に接触したタイミングでの高さ位置の差分を測定する第１の測定手段、
前記第１の測定手段により測定された前記差分と、前記圧子と前記接触部との位置関係と、に基づいて前記試料の径を導出する導出手段、
前記導出手段により導出された前記試料の径を考慮して当該試料の硬さを測定する第２の測定手段、
として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、試料の曲面に対する硬さ試験を効率良く行うことができる。

本発明に係る硬さ試験機の全体構成を示す斜視図である。本発明に係る硬さ試験機の試験機本体を示す模式図である。本発明に係る硬さ試験機の硬さ測定部を示す模式図である。本発明に係る硬さ試験機の制御構造を示すブロック図である。本発明に係る硬さ試験機において、試料の曲面の硬さを測定する処理を示すフローチャートである。（ａ）〜（ｃ）は、０点調整の過程を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、試料の曲面の径を導出する過程を示す図である。試料の曲面の径の導出方法を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明において、図１におけるＸ方向を左右方向とし、Ｙ方向を前後方向とし、Ｚ方向を上下方向とする。また、Ｘ−Ｙ面を水平面とする。

硬さ試験機１００は、例えば、圧子１４ａ（図３参照）の平面形状が矩形状に形成されたビッカース硬さ試験機である。硬さ試験機１００は、図１〜図４に示すように、試験機本体１０と、制御部６と、操作部７と、モニター８と、を備えて構成されている。

試験機本体１０は、図２に示すように、試料Ｓの硬さ測定を行う硬さ測定部１と、試料Ｓを載置する試料台２と、試料台２を移動させるＸＹステージ３と、試料Ｓの表面に焦点を合わせるためのＡＦステージ４と、試料台２（ＸＹステージ３、ＡＦステージ４）を昇降する昇降機構部５と、を備えて構成されている。

硬さ測定部１は、図３に示すように、試料Ｓの表面を照明する照明装置１１と、試料Ｓの表面を撮像するＣＣＤカメラ１２と、試料表面標準機構１８に保持された圧子軸１４と、対物レンズ１５と、回転することにより圧子軸１４と対物レンズ１５との切り替えが可能なターレット１６と、を備えて構成されている。

照明装置１１は、光を照射することにより試料Ｓの表面を照明するものである。照明装置１１から照射される光は、レンズ１ａ、ハーフミラー１ｄ、ミラー１ｅ、及び対物レンズ１５を介して試料Ｓの表面に到達する。

ＣＣＤカメラ１２は、試料Ｓの表面から対物レンズ１５、ミラー１ｅ、ハーフミラー１ｄ、ミラー１ｇ、及びレンズ１ｈを介して入力された反射光に基づき、試料Ｓの表面や圧子１４ａにより試料Ｓの表面に形成されるくぼみを撮像して画像データを取得する。そして、ＣＣＤカメラ１２は、複数フレームの画像データを同時に蓄積、格納可能なフレームグラバー１７を介して、取得した画像データを制御部６に出力する。

試料表面標準機構１８は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動される駆動機構部（図示省略）によって、当該機構によって保持されている圧子軸１４とともに図中のＺ方向に移動可能に構成されている。また、試料表面標準機構１８は、図７（ａ）に示すように、２つの接触部１８ａ，１８ａを備えている。各接触部１８ａは、圧子軸１４に対して均等に所定の距離ｌだけ離れた位置に配設されている。

圧子軸１４は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動される負荷機構部（図示省略）により試料台２に載置された試料Ｓに向けて移動し、先端部に備えた圧子１４ａを試料Ｓの表面に所定の試験力で押し付ける。本実施形態では、圧子１４ａとして、ビッカース用の四角錐圧子（対面角が１３６±０．５°）を使用する。

対物レンズ１５は、それぞれ異なる倍率からなる集光レンズであって、ターレット１６の下面に複数保持されている。対物レンズ１５は、ターレット１６の回転により試料Ｓの上方に配置されることで、照明装置１１から照射される光を一様に試料Ｓの表面に照射させる。

ターレット１６は、下面に試料表面標準機構１８に保持された圧子軸１４と複数の対物レンズ１５を取り付け可能に構成される。ターレット１６は、Ｚ方向を中心に回転することにより、圧子軸１４及び複数の対物レンズ１５の中の何れか一つを試料Ｓの上方に配置可能なように構成されている。即ち、圧子軸１４を試料Ｓの上方に配置することで試料Ｓの表面にくぼみを形成することができ、対物レンズ１５を試料Ｓの上方に配置することで形成されたくぼみを観察することができるようになっている。

試料台２は、上面に載置される試料Ｓを、試料固定部２ａで固定する。
ＸＹステージ３は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動する駆動機構部（図示省略）により駆動され、試料台２を圧子１４ａの移動方向（Ｚ方向）に垂直な方向（Ｘ，Ｙ方向）に移動させる。
ＡＦステージ４は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動され、ＣＣＤカメラ１２が撮像した画像データに基づき試料台２を微細に昇降させることで、試料Ｓの表面に焦点を合わせる。
昇降機構部５は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動され、試料台２（ＸＹステージ３、ＡＦステージ４）をＺ方向に移動させることで、試料台２と対物レンズ１５との間の相対距離を変化させる。なお、昇降機構部５は、ＡＦステージ４を含んで一体化された構成とすることも可能である。
また、ＡＦステージ４及び昇降機構部５を備えない構成とすることも可能である。この場合、硬さ測定部１をＺ方向に上下動可能に構成するとよい。即ち、硬さ測定部１のＺ方向の上下動により、試料台２と対物レンズ１５との間の相対距離を変化させて、試料Ｓの表面に焦点を合わせるオートフォーカス機能を実現することができる。

操作部７は、キーボード７１と、マウス７２と、を備えて構成され、硬さ試験を行う際のユーザーによる入力操作を受け付ける。そして、操作部７は、ユーザーによる所定の入力操作を受け付けると、その入力操作に応じた所定の操作信号を生成して、制御部６へと出力する。
具体的には、操作部７は、ユーザーが、くぼみの合焦位置を決定する条件を選択する操作を受け付ける。
また、操作部７は、ユーザーが、試料台２（昇降機構部５及びＡＦステージ４）の移動する範囲（試料台２と対物レンズ１５との間の相対距離の範囲）を指定する操作を受け付ける。
また、操作部７は、ユーザーが、硬さ試験機１００による硬さ試験を実施する際の試験条件値を入力する操作を受け付ける。入力された試験条件値は、制御部６に送信される。ここで、試験条件値とは、例えば、試料Ｓの材質、圧子１４ａにより試料Ｓに負荷される試験力（Ｎ）、対物レンズ１５の倍率、等の値である。
また、操作部７は、ユーザーが、くぼみの合焦位置の決定を手動で行う手動モード又は自動で行う自動モードの何れかを選択する操作を受け付ける。
また、操作部７は、ユーザーが、硬さ試験を実施する際の試験位置をプログラミングする操作を受け付ける。

モニター８は、例えば、ＬＣＤなどの表示装置により構成されている。モニター８は、操作部７において入力された硬さ試験の設定条件、硬さ試験の結果、及びＣＣＤカメラ１２が撮像した試料Ｓの表面や試料Ｓの表面に形成されるくぼみの画像等を表示する。

制御部（第１の測定手段、導出手段、第２の測定手段）６は、図４に示すように、ＣＰＵ６１と、ＲＡＭ６２と、記憶部６３と、を備えて構成され、記憶部６３に記憶された所定のプログラムが実行されることにより、所定の硬さ試験を行うための動作制御等を行う機能を有する。

ＣＰＵ６１は、記憶部６３に格納された処理プログラム等を読み出して、ＲＡＭ６２に展開して実行することにより、硬さ試験機１００全体の制御を行う。
ＲＡＭ６２は、ＣＰＵ６１により実行された処理プログラム等をＲＡＭ６２内のプログラム格納領域に展開するとともに、入力データや上記処理プログラムが実行される際に生じる処理結果等をデータ格納領域に格納する。
記憶部６３は、例えば、プログラムやデータ等を記憶する記録媒体（図示省略）を有しており、この記録媒体は、半導体メモリ等で構成されている。また、記憶部６３は、ＣＰＵ６１が硬さ試験機１００全体を制御する機能を実現させるための各種データ、各種処理プログラム、これらプログラムの実行により処理されたデータ等を記憶する。
また、記憶部６３は、一つの試料Ｓにレイアウトされた試験パターンのプログラム（パートプログラム）を記憶する。

次に、本実施形態に係る硬さ試験機１００の動作について説明する。
具体的には、本実施形態に係る硬さ試験機１００において、試料の曲面（例えば、凸円筒面）の硬さを測定する処理について、図５のフローチャートを参照して説明する。この処理は、ユーザーによる曲面を対象とした硬さ試験開始の指示操作を検出したことを契機として開始される。なお、この指示操作の際に曲面の種類（例えば、凸円筒面、凹円筒面、凸球面、凹球面）の入力操作が行われているものとする。曲面の種類に応じて補正係数の値が異なるためである（ＪＩＳＺ２２４４：２００９附属書Ｂ参照）。

まず、制御部６は、試料表面標準機構１８の各接触部１８ａのＺ方向の変位量を計測するゲージＧ０，Ｇ１と、圧子軸１４のＺ方向の変位量を計測するゲージＧ２とのそれぞれの基準（０目盛）が一致するように各ゲージＧ０，Ｇ１，Ｇ２を０点調整する（ステップＳ１０１）。具体的には、図６（ａ）に示すように、試料保持台２ａに表面が平滑な基準試料Ｓ１をセットした状態（待機状態）で、ユーザーの操作部７への操作により、０点調整を開始する指示がなされると、制御部６は、駆動機構部による駆動を制御して、圧子軸１４と試料表面標準機構１８とを一緒に降下させる。そして、図６（ｂ）に示すように、試料表面標準機構１８の各接触部１８ａが基準試料Ｓ１の表面に接すると、制御部６は、各接触部１８ａの降下を停止させた後、負荷機構部による駆動を制御して、圧子軸１４のみを降下させる。そして、図６（ｃ）に示すように、圧子１４ａが基準試料Ｓ１の表面に接すると、制御部６は、圧子１４ａの降下を停止させ、この状態において各ゲージＧ０，Ｇ１，Ｇ２により計測される値がそれぞれ０で一致するように、各ゲージＧ０，Ｇ１，Ｇ２を調整する。

次いで、制御部６は、硬さ試験の対象となる試料Ｓ２の曲面（凸円筒面）の径を導出する（ステップＳ１０２）。具体的には、図７（ａ）に示すように、試料保持台２ａに試料Ｓ２をセットした状態（待機状態）で、ユーザーの操作部７への操作により、硬さ試験を開始する指示がなされると、制御部６は、駆動機構部による駆動を制御して、圧子軸１４と試料表面標準機構１８とを一緒に降下させる。そして、図７（ｂ）に示すように、試料表面標準機構１８の各接触部１８ａが試料Ｓ２の表面に接すると、制御部６は、各接触部１８ａの降下を停止させた後、負荷機構部による駆動を制御して、圧子軸１４のみを降下させる。そして、図７（ｃ）に示すように、圧子１４ａが試料Ｓ２の表面に接すると、制御部６は、圧子１４ａの降下を停止させ、この状態において各ゲージＧ０，Ｇ１，Ｇ２により計測された値を読み取る。

ここで、例えば、図７（ｃ）に示すように、ゲージＧ２で計測された値とゲージＧ０で計測された値との差分、及び、ゲージＧ２で計測された値とゲージＧ１で計測された値との差分の絶対値がそれぞれａであった場合、試料Ｓ２の曲面（凸円筒面）の半径をｄとすると、図８に示すように、ピタゴラスの定理（三平方の定理）によって、下記（１）の等式が成り立つこととなる。
ｄ^２＝ｌ^２＋（ｄ−ａ）^２・・・（１）
そして、この等式（１）を変形すると下記（２）の等式が成り立つ。
２ｄ＝（ａ^２＋ｌ^２）／ａ・・・（２）
つまり、ゲージＧ２で計測された値とゲージＧ０で計測された値との差分、及び、ゲージＧ２で計測された値とゲージＧ１で計測された値との差分の絶対値ａと、各接触部１８ａと圧子軸１４との距離ｌの値と、を上記の（２）の等式に代入することによって、試料Ｓ２の曲面（凸円筒面）の直径２ｄが導出されることとなる。

次いで、制御部６は、図７（ｃ）に示すように、圧子１４ａが試料Ｓ２の表面に接している状態において、負荷機構部による駆動を制御して、圧子１４ａを試料Ｓ２の表面（曲面）に所定の試験力で押し付けることにより、くぼみを形成する（ステップＳ１０３）。

次いで、制御部６は、ステップＳ１０３で形成されたくぼみの大きさに基づいて、試料Ｓ２の曲面（凸円筒面）の硬さを測定する（ステップＳ１０４）。具体的には、制御部６は、くぼみ形成後の試料Ｓ２の表面画像を解析し、この試料Ｓ２の表面に形成されたくぼみの対角線の長さを計測し、当該計測された対角線長さに基づいて試料Ｓ２の硬さ値（未補正値）を算出する。そして、制御部６は、計測された対角線長さと試料Ｓ２の曲面（凸円筒面）の直径２ｄとの関係から導出される補正係数（ＪＩＳＺ２２４４：２００９附属書Ｂ参照）を上記のように算出された硬さ値（未補正値）と掛け合わせることにより、試料Ｓ２の曲面（凸円筒面）の硬さ値を算出する。そして、制御部６は、試料の曲面の硬さを測定する処理を終了する。

以上のように、本実施形態に係る硬さ試験機１００は、圧子１４ａの中心軸に対して均等に所定の距離ｌだけ離れた位置に配設される２つの接触部１８ａ，１８ａと、圧子１４ａと接触部１８ａ，１８ａとがそれぞれ試料Ｓ２の表面に接触したタイミングでの高さ位置の差分を測定する第１の測定手段（制御部６）と、前記第１の測定手段により測定された前記差分と、圧子１４ａと接触部１８ａ，１８ａとの位置関係と、に基づいて試料Ｓ２の径ｄを導出する導出手段（制御部６）と、前記導出手段により導出された試料Ｓ２の径ｄを考慮して当該試料Ｓ２の硬さを測定する第２の測定手段（制御部６）と、を備える。
したがって、本実施形態に係る硬さ試験機１００によれば、通常の硬さ試験の一連の流れのなかで試料Ｓ２の曲面の径を導出し試料Ｓ２の曲面の硬さ値を算出する際に用いられる補正係数を得ることができるので、硬さ試験機１００による硬さ試験とは別に、ユーザーが試料Ｓ２の曲面の径を測定し上記補正係数を得る必要がなくなり、試料Ｓ２の曲面に対する硬さ試験を効率良く行うことができる。

以上、本発明に係る実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、上記実施形態では、試料表面標準機構１８において、圧子１４ａの中心軸に対して均等に所定の距離ｌだけ離れた位置に各接触部１８ａ，１８ａを配設するようにしたが、圧子１４ａの中心軸と各接触部１８ａ，１８ａとの距離を調整可能な調整手段を設けることによって、圧子１４ａの中心軸に対して各接触部１８ａ，１８ａを近づけたり遠ざけたりすることができるようにしてもよい。
これにより、試料Ｓ２のサイズに応じて、圧子１４ａの中心軸と各接触部１８ａ，１８ａとの距離を調整することができるので、試料Ｓ２の曲面の径の導出を適切に行うことができる。

また、上記実施形態では、硬さ試験機１００として、ビッカース硬さ試験機を例示して説明しているが、これに限定されるものではなく、ロックウェル硬さ試験機であってもよい。

また、本出願に示す各態様は、方法、プログラムなどとしても把握することができる。方法やプログラムのカテゴリについては、装置のカテゴリで示した「手段」を、例えば、「工程」や「ステップ」のように適宜読み替えるものとする。また、処理やステップの順序は、本出願に直接明記のものに限定されず、順序を変更したり、一部の処理をまとめて若しくは随時一部分ずつ実行するよう変更したりすることができる。

その他、硬さ試験機を構成する各装置の細部構成及び各装置の細部動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

１００硬さ試験機
１０試験機本体
１硬さ測定部
１１照明装置
１２ＣＣＤカメラ
１４圧子軸
１４ａ圧子
１５対物レンズ
１６ターレット
１７フレームグラバー
１８試料表面基準機構
１８ａ接触部
２試料台
３ＸＹステージ
４ＡＦステージ
５昇降機構部
６制御部（第１の測定手段、導出手段、第２の測定手段）
７操作部
８モニター
Ｓ１基準試料
Ｓ２試料

Claims

試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機であって、
前記圧子の中心軸に対して均等に所定の距離だけ離れた位置に配設される少なくとも２つの接触部と、
前記圧子と前記接触部とがそれぞれ前記試料の表面に接触したタイミングでの高さ位置の差分を測定する第１の測定手段と、
前記第１の測定手段により測定された前記差分と、前記圧子と前記接触部との位置関係と、に基づいて前記試料の径を導出する導出手段と、
前記導出手段により導出された前記試料の径を考慮して当該試料の硬さを測定する第２の測定手段と、
を備えることを特徴とする硬さ試験機。
前記圧子の中心軸に対する前記接触部の距離を調整可能な調整手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機の硬さ試験方法であって、
前記圧子と当該圧子の中心軸に対して均等に所定の距離だけ離れた位置に配設される少なくとも２つの接触部とがそれぞれ前記試料の表面に接触したタイミングでの高さ位置の差分を測定する第１の測定工程と、
前記第１の測定工程により測定された前記差分と、前記圧子と前記接触部との位置関係と、に基づいて前記試料の径を導出する導出工程と、
前記導出工程により導出された前記試料の径を考慮して当該試料の硬さを測定する第２の測定工程と、
を含む硬さ試験方法。
試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機のコンピュータを、
前記圧子と当該圧子の中心軸に対して均等に所定の距離だけ離れた位置に配設される少なくとも２つの接触部とがそれぞれ前記試料の表面に接触したタイミングでの高さ位置の差分を測定する第１の測定手段、
前記第１の測定手段により測定された前記差分と、前記圧子と前記接触部との位置関係と、に基づいて前記試料の径を導出する導出手段、
前記導出手段により導出された前記試料の径を考慮して当該試料の硬さを測定する第２の測定手段、
として機能させるためのプログラム。